植物工厂节点控制设备及其整体控制系统
阅读：202发布：2020-05-13
专利汇可以提供植物工厂节点控制设备及其整体控制系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及一种 植物 工厂 节点 控制设备及其整体控制系统，该 植物工厂 整体控制系统包括网络数据 服务器 、Zigbee网关、智能控制终端以及植物工厂节点控制设备，所述植物工厂节点控制设备包括主控芯片、植物生长环境参数采集组件、植物生长环境调控组件、数据收发组件以及电源 接口 ，主控芯片的输入端与电源接口的输出端电连接，主控芯片的输出端与植物生长环境调控组件的输入端电控制连接，主控芯片分别与植物生长环境参数采集组件以及数据收发组件通讯连接。本实用新型中的植物工厂节点控制设备将植物工厂所需的植物生长环境参数采集、植物生长环境调控以及数据接收技术集成于多接口的单一主控芯片中，从而实现了植物工厂的节点功能。，下面是植物工厂节点控制设备及其整体控制系统专利的具体信息内容。
1.一种植物工厂节点控制设备，其特征在于，包括主控芯片、植物生长环境参数采集组件、植物生长环境调控组件、数据收发组件以及电源接口，所述主控芯片的输入端与所述电源接口的输出端电连接，所述主控芯片的输出端与所述环境调控组件的输入端电控制连接，所述主控芯片分别与所述植物生长环境参数采集组件以及所述数据收发组件通讯连接，所述数据收发组件为分时运行Zigbee协议栈以及BLE协议栈的2.4G无线收发器。
2.根据权利要求1所述的植物工厂节点控制设备，其特征在于，所述植物生长环境参数采集组件包括温度湿度采集模块、环境光采集模块、二氧化碳浓度采集模块以及营养液浓度采集模块，所述温度湿度采集模块、所述环境光采集模块、所述二氧化碳浓度采集模块以及所述营养液浓度采集模块分别通过I2C工业标准总线与所述主控芯片并联电通讯连接。
3.根据权利要求1所述的植物工厂节点控制设备，其特征在于，所述植物生长环境调控组件包括给水电磁阀控制模块、营养液供应电磁阀控制模块、控温设备开关控制模块、植物照明控制模块以及通风系统控制模块，所述给水电磁阀控制模块、所述营养液供应电磁阀控制模块、所述控温设备开关控制模块、所述植物照明控制模块以及所述通风系统控制模块分别与所述主控芯片电控制连接。
4.一种植物工厂整体控制系统，其特征在于，包括网络数据服务器、Zigbee网关、智能控制终端以及如权利要求1-3中任一项所述的植物工厂节点控制设备，多组所述植物工厂节点控制设备通过Zigbee网关与所述网络数据服务器通讯连接可配置形成星型网络、树形网络或网状网络，所述智能控制终端与所述网络数据服务器通讯连接。
植物工厂节点控制设备及其整体控制系统
技术领域
[0001] 本实用新型属于植物工厂智能化控制的技术领域，尤其涉及一种植物工厂节点控制设备及其整体控制系统。
背景技术
[0002] 随着人民生活水平的提高，对食物品质的要求不断提高，选择食品时的首要考虑因素是安全、品质、口感。同时在农村务农人口不断下降的新形势下，粮食作物的种植将由以前的分散种植模式向土地集约化规模种植模式转变。在此新形势下如何提高粮食作物生产效率、品质、怎样解决安全问题等议题已经摆上议事日程。
[0003] 智慧农业工厂无疑是集中解决这些问题的有效解决方案，理由如下：一是采用集中生产可以建立起植物粮食作物由育种到餐桌整个生产链条的可回溯机制以监督粮食作物的安全生产，二是建立可控的粮食作物生长环境以适时调整生产环境参数来提高生产效率和品质。
[0004] 目前针对植物工厂的常见的文献专利提供的是一整套的系统，弊端是前期成本投入高、后期用户自行维护费用高、缺乏自行升级的可能性，不利于新技术的嵌入，连接控制技术在专利没有过多叙述。实用新型内容
[0005] 本实用新型提供一种植物工厂节点控制设备及其整体控制系统，用以解决现有技术中植物工厂控制成本高、功能不全面的技术问题。
[0006] 本实用新型提供一种植物工厂节点控制设备，包括主控芯片、植物生长环境参数采集组件、植物生长环境调控组件、数据收发组件以及电源接口，所述主控芯片的输入端与所述电源接口的输出端电连接，所述主控芯片的输出端与所述植物生长环境调控组件的输入端电控制连接，所述主控芯片分别与所述植物生长环境参数采集组件以及所述数据收发组件通讯连接。所述数据收发组件为分时运行Zigbee协议栈以及BLE协议栈的2.4G无线收发器。
[0007] 其中，所述植物生长参数采集组件包括温度湿度采集模块、环境光采集模块、二氧化碳浓度采集模块以及营养液浓度采集模块，所述温度湿度采集模块、所述环境光采集模块、所述二氧化碳浓度采集模块以及所述营养液浓度采集模块分别通过I2C工业标准总线与所述主控芯片并联电通讯连接。
[0008] 其中，所述植物生长环境调控组件包括给水电磁阀控制模块、营养液供应电磁阀控制模块、控温设备开关控制模块、植物照明控制模块以及通风系统控制模块，所述给水电磁阀控制模块、所述营养液供应电磁阀控制模块、所述控温设备开关控制模块、所述植物照明控制模块以及所述通风系统控制模块分别与所述主控芯片电控制连接。
[0009] 本实用新型还提供一种植物工厂整体控制系统，包括网络数据服务器、 Zigbee网关、智能控制终端以及所述植物工厂节点控制设备，多组所述植物工厂节点控制设备通过Zigbee网关与所述网络数据服务器通讯连接可配置形成星型网络、树形网络或网状网络，所述智能控制终端与所述网络数据服务器通讯连接。
[0010] 从上述本实用新型实施例可知，本实用新型中的植物工厂节点控制设备将植物工厂所需的植物生长环境参数采集、植物生长环境调控以及数据接收技术集成于多接口的单一主控芯片中，从而实现了植物工厂的节点功能。在本实用新型中的植物工厂整体控制系统中，植物工厂节点控制设备通过Zigbee网关组成无线网络，可以根据应用场景的复杂程度和需要配置为星型网络、树型网络或网状网络。附图说明
[0011] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0012] 图1为本实用新型植物工厂节点控制设备的结构框图；
[0013] 图2为本实用新型植物工厂节点控制设备的植物生长环境参数采集组件连接示意图；
[0016] 图5为本实用新型主控芯片GPIO产生开关信号连接示意图；
[0017] 图6为本实用新型2.4GHz无线收发器的结构框图；
[0018] 图7为本实用新型BLE和Zigbee分时复用2.4GHZ无线收发器示意图；
[0019] 图8为本实用新型主控芯片的电源连接示意图；
[0020] 图9为本实用新型实施例中植物工厂整体控制系统的拓扑图。
[0021] 主要元件说明：
[0022] 1、主控芯片；2、植物生长环境参数采集组件；3、植物生长环境调控组件； 4、数据收发组件；5、电源接口；21、温度湿度采集模块；22、环境光采集模块；23、二氧化碳浓度采集模块；24、营养液浓度采集模块；31、给水电磁阀控制模块；32、营养液供应电磁阀控制模块；33、控温设备开关控制模块；34、植物照明控制模块；35、通风系统控制模块。
具体实施方式
[0023] 为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0024] 请参阅图1，本实用新型一种植物工厂节点控制设备，包括主控芯片1、植物生长环境参数采集组件2、植物生长环境调控组件3、数据收发组件4以及电源接口5，主控芯片1的输入端与电源接口5的输出端电连接，主控芯片1的输出端与植物生长环境调控组件3的输入端电控制连接，主控芯片1分别与植物生长环境参数采集组件2以及数据收发组件4通讯连接。
[0025] 相较于现有技术，本实用新型中的植物工厂节点控制设备将植物工厂所需的植物生长环境参数采集、植物生长环境调控以及数据接收技术集成于多接口的单一主控芯片1中，从而实现了植物工厂的节点功能。
[0026] 主控芯片1采用内部集成32位 -M4内核支持动态多协议 (Zigbee+BLE)的芯片，最高工作频率为40MHz。最高1MB闪存和256kB RAM。具有12信道无线收发器，可支持Zigbee协议和BLE协议。集成的功率放大器(PA)，在2.4GHz频段发射(TX)功率最高可达
19dBm。强大的外围设备I2C、D/A、TIMER、PWM、及多达65个GPIO等。
19dBm。强大的外围设备I2C、D/A、TIMER、PWM、及多达65个GPIO等。
[0027] 请进一步参阅图2，植物生长环境参数采集组件包括温度湿度采集模块21、环境光采集模块22、二氧化碳浓度采集模块23以及营养液浓度采集模块24，温度湿度采集模块21选用温度以及湿度传感器，环境光采集模块22选用环境光传感器，二氧化碳浓度采集模块23选用二氧化碳传感器，营养液浓度采集模块24选用pH值传感器。植物生长环境参数包括温度、湿度、光照度、CO2浓度、营养液浓度(PH值)等参数，参数的采集的数据传输围绕工业标准总线(I2C) 进行设计，主控芯片1和传感器模块之间的数据交换采用I 2C协议进行，在定义好主控芯片1对应的传感器接口，后期使用非常有利于数据采集传感器的升级、更换。
主控芯片1引出的sda连接线为串行数据线，主控芯片1引出的sc l 连接线为串行时钟线。
主控芯片1引出的sda连接线为串行数据线，主控芯片1引出的sc l 连接线为串行时钟线。
[0028] 以上传感器选用内部集成A/D转换器Intergrating A/D Converter、自校准高精度具有I2C接口的传感器芯片，如下图的环境光传感器所示，ambient light sensor为光照感应二极管，Address select为地址选择单元，command register为指令寄存器，ADC register为模数转换器寄存器，interrrupt为中断模块，two-wire serial interface为两组串行接口分别与主控芯片1的 sda连接线以及scl连接线电连接。因此环境参数的获取只需通过I2C总线对相应应传感器的A/D转换器的数据寄存器进行读取获得。其中环境光传感器内部结构如图3所示。其他功能的传感器电路与此电路的区别无非就是在于传感元器件之间的区别，固不在此做过多赘述。
[0029] 在本实施例中，植物生长环境调控组件3包括给水电磁阀控制模块31、营养液供应电磁阀控制模块32、控温设备开关控制模块33、植物照明控制模块 34以及通风系统控制模块35，给水电磁阀控制模块31、营养液供应电磁阀模块32、控温设备开关控制模块33、植物照明控制模块34以及通风系统控制模块35分别与主控芯片1通讯连接。
[0030] 对植物生长环境调控部分的设备进行研究以后，可采用PWM和开关量控制，利用主控芯片1动态多协议控制芯片片内自带的TIMER、LETIMER、GPIO开关产生的信号作为给水电磁阀、营养液供应电磁阀、控温设备、通风系统电机、植物照明的控制信号。为增加通用性，在相应的输出端用运算放大器构成电压跟随器来增强对外部设备的驱动能力。连接如图4、5所示。
[0031] 在本实施例中，数据收发组件4为分时运行Zigbee协议栈以及BLE协议栈的2.4G无线收发器。利用芯科的Zigbee协议栈、BLE协议栈和Micrium OS，在Micrium OS的支持下，复用2.4G无线收发器的硬件，分时运行Zigbee协议栈和BLE协议栈，实现Zigbee功能和BLE的功能。动态多协议控制芯片内部 2.4GHZ无线收发器如图6所示，在帧控制器和无线射频控制器的控制下，调制器把数据缓冲器里的数据加载到2.4G射频电磁波经功率放大以后通过外部F 型天线发射出去，解调器从F型天线接收2.4G射频电磁波解调数据并存入数据缓冲器来完成数据的收发过程，复用示意图如图7所示，复用2.4G无线收发器的硬件，Micrium OS分时调度Zigbee协议栈和BLE协议栈运行，轮流实现 Zigbee功能和BLE的功能，BLE协议栈的优先级高于Zigbee协议栈以提高用户智能终端的接入响应速度。
[0032] 在本实施例中，电源接口5部分给动态多协议控制芯片和外设电路提供稳定高质量的供电能力。根据动态多协议控制芯片的设计手册设计电源供电如下所示图8所示,芯片电压为3.3V,VREGVDD前端连接10uF和0.1uF的电容、IOVDD 前端连接1uF和0.1uF的电容、DVDD前端连接0.1uF的电容，AVDD前端连接 10uF和10nF电容，RFVDD前端220nF和1pF的电容，PVDD前端连接220nF、10pF 电容和22uH磁珠，作用是对3.3V电压进入芯片之前进行滤波以保持电压恒定。
[0033] 本实用新型还提供一种植物工厂整体控制系统，包括网络数据服务器、 Zigbee网关、智能控制终端以及植物工厂节点控制设备，多组植物工厂节点控制设备通过Zigbee网关与网络数据服务器通讯连接可配置形成星型网络、树形网络或网状网络，智能控制终端与网络数据服务器通讯连接。
[0034] 相较于现有技术，在本实用新型中的植物工厂整体控制系统中，植物工厂节点控制设备通过Zigbee网关组成无线网络，可以根据应用场景的复杂程度和需要配置为星型网络、树型网络或网状网络。
[0035] 该植物工厂节点控制设备还包括位置信号发送器以及视频监控器，位置信号发送器与主控芯片1通讯连接，IP视频监控器经网络交换机与网络数据服务器通讯连接。
[0036] 如图9所示，植物工厂方案举例的网络架构采用C/S架构，整个系统由网络数据服务器、Zigbee网关、植物工厂节点、手机或者电脑终端设备构成。
[0037] 数据服务器接收来自植物工厂的监控视频信息、Zigbee节点的位置信息、温湿度信息、环境光信息、CO2浓度信息数据整合存储在数据服务器上。并根据手机或者电脑终端请求提供植物工厂的节点数据发送服务和控制命令的转发服务。以便手机或者电脑终端了解作物的生长和环境信息并进行必要的控制。
[0038] Zigbee网关设计为网关+Zigbee协调器的模式。主要作用一是进行TCP/IP 协议和Zigbee协议之间的协议转换并提供相应的接口连接。在互联网端提供 Ethernet有线连接、5G信号连接、WIFI连接。二是在Zigbee端提供2.4G的 Zigbee网络组网功能并对Zigbee网络进行管理。
[0039] 植物工厂的每一个节点由Zigbee终端/路由器(即本文所声称的“植物工厂节点控制设备”)、Beacon位置信号发送器、高清IP视频监控器三部分设备构成。植物工厂节点控制设备和Beacon位置信号发送器由Zigbee网络相连。高清视频监控器采用TCP/IP网络通过交换机和网络数据服务器相连。Zigbee 网络和视频网络信息都发送到网络数据服务器并整合为完整的节点数据信息。
[0040] 植物工厂节点控制设备采用动态多协议方式，即复用2.4G电磁波信号收发硬件设备，并发执行Zigbee协议和BLE协议。BLE协议用来接收Beacon位置信号发送器的位置信号并存储，Zigbee用来向数据服务器发送节点的位置信息、温湿度信息、环境光信息、CO2浓度信息，并根据当时的物理环境或者接收手机、电脑终端的控制信号对来水电磁阀、植物照明光源、通风设备、卷帘设备进行控制。植物工厂节点控制设备根据实际的信号强度或者通信的繁忙程度来进行配置为终端设备或者路由设备以优化Zigbee网络。
[0041] Beacon位置信号发送器采用低功耗设计并用电池供电，不断向植物工厂节点控制设备发送节点的位置信息。1080P、360度可旋转的高清IP视频监控器和交换机相连并把节点的视频信息发送给网络服务器。
[0042] 在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
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